Längsstabilität (Pitch)

Längsstabilität (Pitch Stability)

Längsstabilität beschreibt das Verhalten des Flugzeugs um die Querachse (Pitch) nach einer Störung. Sie sorgt dafür, dass das Flugzeug seinen Pitch-Trim beibehält.

Mechanismen

1. Horizontal-Leitwerk (Horizontal Stabilizer)

Hauptkomponente für Längsstabilität:

• Erzeugt abwärts gerichtete Lift im normalen Flug (negative Lift am Stabilo).
• Bei Pitch-Up (Nase hoch) → α am Stabilo wird größer → mehr Down-Lift → nose-down Pitching-Moment → korrigiert Störung.

2. CG-Position (Center of Gravity)

• CG vor dem aerodynamischen Mittelpunkt (Neutral Point, NP) → stabil.
• CG hinter NP → instabil.
• Statische Marge (Static Margin): NP − CG, in % der mittleren Sehne.
• Typische GA: 5-15 % positive Static Margin.

3. Wing Downwash

• Down­wash hinter dem Flügel beeinflusst α am Stabilo.
• Bei Pitch-Up: weniger Downwash → mehr α am Stabilo → mehr Korrektur.

Folgen der CG-Position

CG vorne (Forward CG)

Stabiler Flugzustand:

• Höhere Stall-Speed: mehr Elevator-Hub nötig für hohen α → Stabilo erzeugt mehr Down-Lift → effektiv mehr Gewicht muss am Flügel getragen werden.
• Stärker gedämpfte Pitch.
• Höheres Yoke-Force für Manöver.
• Bessere Stall-Recovery.

CG hinten (Aft CG)

Weniger stabil:

• Niedrigere Stall-Speed: weniger Down-Lift am Stabilo nötig.
• Empfindlicher gegen Pitch-Störungen.
• Leichter zu manövrieren (weniger Yoke-Force).
• Trim Drag reduziert → mehr Effizienz.
• Stall-Recovery schwieriger (zu wenig Down-Force am Stabilo).

Hinter dem NP (Negative Static Margin)

• Statisch instabil.
• Pilot muss ständig korrigieren.
• In normaler GA niemals zugelassen.

Spezialfall: CG-Limits im POH

Mass and Balance (Subject 030) muss CG innerhalb der Forward- und Aft-Limits halten:

• Forward Limit: Stabilitäts­obergrenze und Yoke-Force-Limit.
• Aft Limit: Stabilitäts­untergrenze (Static Margin > 5%).
• Pilot ist verantwortlich.

Schwingungsformen Pitch-Achse

Phugoid

• Lange, gedämpfte Schwingung zwischen Pitch und Geschwindigkeit.
• Mechanismus: Pitch-Up → Speed sinkt → weniger Lift → Nase sinkt → Speed steigt → wieder Lift → Pitch-Up.
• Periode: 30-90 Sek (typisch GA).
• Sehr gedämpft in stabilen Flugzeugen — schwingt 1-2 Mal und beruhigt sich.
• Pilot bemerkt kaum bei normalem Flug.

Short-Period Pitch

• Schnelle, kurze Schwingung mit fast konstanter Speed.
• Mechanismus: α-Änderung → Stabilo reagiert → α korrigiert.
• Periode: 2-5 Sek.
• Stark gedämpft in stabilen Flugzeugen.

Trimm-System

• Pilot trimmt das Flugzeug auf gewünschten Pitch-Zustand.
• Trimm-Tab an Elevator (variabel) oder anti-balance Tab.
• Bei richtiger Trimm: Yoke kann losgelassen werden → Flugzeug hält Pitch.

Tail Designs

• Konventionelles Heck (Cessna 172): Stabilo + Elevator.
• T-Heck (PA-28, DA-40): Stabilo am Top der Seitenflosse.
• All Moving Stabilizer (Stabilator): keine getrennten Stabilo+Elevator. Beispiel: Cherokee, Mooney.
• Canard (vorne statt hinten): Beispiel: Velocity SE.

Effizienzaspekte

• Aft CG = niedriger Trim-Drag → bessere Reichweite (Verkehrsflugzeuge fliegen CG bewusst nahe Aft Limit).
• Forward CG = stabiler aber höherer Drag.
• Trade-off zwischen Stabilität und Effizienz.

Stall mit verschiedenen CG-Positionen

• CG vorne: Stall bei höherer Geschwindigkeit (kein Mass-Schwerpunkt-Korrektur nötig), klassischer Stall-Recovery.
• CG hinten: niedrigere Stall-Geschwindigkeit, aber deep stall möglich (Stabilo in Wirbelfeld → keine Recovery-Wirkung). Sehr gefährlich.

Konstruktive Maßnahmen

• CG-Verschiebung durch Beladung oder Treibstoff­verbrauch (CG wandert je nach Tank-Position).
• Trim-System kompensiert.